[0001] Die Erfindung betrifft einen Rohrkollektor zur Wärmegewinnung oder Klimatisierung
aus dem umgebenden Medium.
Stand der Technik
[0002] Wärmepumpen können entweder mit einem Grundwasserwärmetauscher, einem Erdwärmetauscher
oder einem Luftwärmetauscher ausgerüstet sein.
[0003] Bekannte Luftwärmetauscher sind beispielsweise als Platten-Wärmetauscher aufgebaut.
Es werden sehr viele flache aber breite, gefalzte Kanäle (Größenordnung 50 bis 100)
übereinander angeordnet, welche aus geriffelten Aluminiumblechen oder aus dünnem transparentem
Kunststoff bestehen können. Hierbei findet über dünne Kunststoff- oder Blechflächen,
welche die beiden Luftströme trennen ein Austausch statt. Die Frischluft wird dadurch
erwärmt und den Wohnräumen zugeführt (Zuluft). Die Abluft wird abgekühlt und ins Freie
geblasen (Fortluft).
[0004] Für die Wärmegewinnung wird entweder ein Medium in Form von Frisch- und Abluft im
Gegenstrom aneinander vorbei geführt, so dass ein Wärmestrom von der warmen Abluft
hin zur kalten Frischluft stattfindet. Oder die Wärme der umgebenden Luft wird aufgenommen
und lässt ein Kältemittel verdampfen. Hierbei spielt es eine wesentliche Rolle, eine
möglichst große aktive Fläche des Verdampfers zu realisieren.
[0005] Nachteil des Standes der Technik ist es, dass die Effektivität bekannter Luftwärmetauscher
mit der Zeit nachlässt, weil sich die Wärmetauscher-Platten durch Schmutzpartikel
zusetzen können.
[0006] Es ist weiterhin Stand der Technik, mittels Sonden Erdwärme zu nutzen. Bekannte Sonden
sind durch die Bauart "Rohr in Rohr" ausgebildet und nutzen in der Regel ein Fluid
als Wärmeträger. Z.B. wird in
DE 10202261 A1 für die oberflächennahe Gewinnung von Wärmeenergie aus dem Erdreich oder für die
oberflächennahe Einleitung von Wärmeenergie in das Erdreich eine Erdsonde vorgestellt,
bei der eine typische "Rohr in Rohr"-Bauart mit einem an seinem unteren Ende offenen
Tauchrohr vorgestellt wird. Diese Sonden weisen schlechte Energieeffizienzen auf,
da die in der Tiefe gewonnene Wärme beim Aufsteigen durch das Innenrohr teilweise
an das im Außenrohr in die Tiefe gepumpte Fluid abgegeben wird. Isolierte Innenrohre
sind in der Regel sehr aufwändig gestaltet und somit oft kostenintensiv.
Darstellung der Erfindung
[0007] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rohrkollektor zu entwickeln, welcher
einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als der Stand der Technik besitzt, wobei mit
möglichst geringem Primärenergieaufwand möglichst viel Wärme- bzw. Kälteenergie aus
der Umwelt genutzt werden kann.
[0008] Die erfindungsgemäße Rohrkollektor ist dadurch gekennzeichnet, dass um ein Zentralrohr
ein Spiralblech angeordnet ist, wobei diese Anordnung sich in einem Außenrohr befindet
und am unteren Ende des Zentralrohrs eine Venturi-Düse angeordnet ist.
[0009] Werden mehrere Rohrkollektoren zur Erhöhung der Energieleistung angeordnet, so müssen
in allen Rohrkollektoren gleiche Strömungsverhältnisse vorhanden sein.
[0010] Der Rohrkollektor besteht aus einem formstabilen Material, vorzugsweise aus Metall,
insbesondere Edelstahl.
[0011] Der Rohrkollektor kann mit einem Fluid oder einem Gas betrieben werden.
[0012] Ein erheblicher Vorteil liegt in der Handlichkeit und der Montage ohne besondere
Anforderungen. Die ganze Anlage ist nach Euromaßen konzipiert und passt zusammen mit
der Wärmepumpe auf eine Euro-Palette. Durch ein sehr geringes Gewicht kann eine Person
die Sonde vor Ort bewegen.
[0013] Vorteil der Erfindung ist es, dass die technischen Daten (Leistungs- und Arbeitsziffer)
höher liegen, als bei Rohrkollektoren mit kleinen Verdampferflächen. Außerdem kann
sowohl die umgebende Luft, direkte Sonneneinstrahlung und Regenwasser als auch die
ersten wasserführenden Schichten, wenn der Rohrkollektor ins Erdreich verbracht wird,
können als Energieträger genutzt werden.
Kurze Beschreibung der Abbildungen
[0014] Nachfolgend wird die Vorrichtung anhand von Figurenbeschreibungen näher erläutert.
Dabei zeigt Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäßen Rohrkollektor.
Ausführung der Erfindung
[0015] Um ein Zentralrohr 1 ist ein Spiralblech 4 geschweißt und diese Kombination steckt
in einem Außenrohr 3 mit entsprechend großem Durchmesser.
[0016] Das gasförmige Kältemittel wird durch das Zentralrohr 1 geleitet und durch eine Venturi-Düse
5 gepresst, es entspannt und verflüssigt sich. Durch die an der Venturi-Düse 5 entstandene
Geschwindigkeitserhöhung des Kältemittels werden Turbulenzen erzeugt, welche die Energieaufnahme
und damit die Verdampfung an der großen Wärmetauscherfläche des Außenrohres 3 wesentlich
positiv beeinflusst.
[0017] Diese Gasturbulenzen werden über das Spiralblech 4, welches wie eine Öltreppe wirkt,
nach oben hin zum Rücklauf 2 geleitet und dabei langsam abgebaut. Die Energieaufnahme
des Kältemittels wird wesentlich begünstigt und das Betriebsmittel Öl, für die Schmierung
des Verdichters, wird über den Treppeneffekt mit nach oben gerissen und zum Verdichter
der Wärmepumpe transportiert.
[0018] Der Rohrkollektor mit einer Länge von ca. 2,00 m hat eine Wärmetauscherfläche am
Außenrohr 3 von 0,63 m
2. Der einzelne Rohrkollektor kann nach Bedarf erweitert werden, indem mehrere Rohrkollektoren
angeordnet werden. Dabei ist aber unbedingt darauf zu achten, dass in allen Rohrkollektoren
gleiche Strömungsverhältnisse vorhanden sind.
[0019] Die Energieleistung von sechs Rohrkollektoren reicht aus, um ein Haus mit einer Wohnfläche
von 130 m
2 zu klimatisieren. Der Rohrkollektor ist zum Kühlen und zum Heizen geeignet.
[0020] Der einzelne Rohrkollektor ist aus Edelstahl gefertigt.
[0021] Der Rohrkollektor kann sowohl als Außenverdampfer als auch als Kondensator genutzt
werden. Für die Nutzung als Kondensator muss eine Umkehrung der Strömungsrichtung
erfolgen. Hierzu wird das Zentralrohre 1 als Rücklaufrohr genutzt. Durch den Einbau
einer Venturi-Düse 5 wird die Nennweite des jeweiligen Zentralrohrs 1 noch etwas weiter
verengt, so dass der Venturi-Effekt zur weiteren Geschwindigkeitssteigerung des aufsteigenden
Mediums genutzt werden kann. Bis zum Expansionsventil werden 16 bar gemessen, danach
3 bar bis zur nächsten Düse, somit erfolgt eine doppelte Expansion. Es entsteht ein
Düseneffekt. Um Geräusche aus diesem Düseneffekt zu verringern kann der Rohrkollektor
teilweise eingegraben werden.
[0022] Der Rohrkollektor aus Edelstahl besitzt eine hydrophile Oberflächen. Bei +5 °C und
höher ist die Arbeitszahl sehr hoch. Bei einem Verdampfungseffekt bilden sich Eiskristalle
an der Wärmetauscherfläche des Außenrohres 3. Durch ein zeitweises Abschalten des
Gaskreislaufs werden die Eiskristalle verflüssigt. Das gewonnene Kondensatwasser hat
einen hohen Reinheitsgrad und kann durch entsprechende Zusätze zu Trink- oder Nutzwasser
gewandelt werden. Es kann am Boden in einem Auffangteller gesammelt werden, von wo
es abgeleitet wird. Dazu ist der Rohrkollektor mit einer kleinen, hier nicht weiter
gezeigten Photovoltaikanlage ausgerüstet, die Strom erzeugen und in einer Batterie
gespeichert werden kann.
[0023] Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um beispielsweise eine Wassergewinnung aus
der Luft zu ermöglichen.
[0024] In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der Rohrkollektor vollständig, bis zum
ersten Wasserleiter eingegraben, d.h. die notwendige Bohrung wird bis zur ersten wasserführenden
Schicht durchgeführt. Ein besonderer Vorteil besteht darin, dass lediglich eine Trockenbohrung
notwendig ist, somit fallen keine Bohrschlämme an, was den Einbau sehr umweltfreundlich
macht.
1. Rohrkollektor dadurch gekennzeichnet, dass
um ein Zentralrohr (1) ein Spiralblech (4) angeordnet ist, wobei diese Anordnung sich
in einem Außenrohr (3) befindet und am unteren Ende des Zentralrohrs (1) eine Venturi-Düse
(5) angeordnet ist.
2. Rohrkollektor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass
mehrere Rohrkollektoren mit gleichen Strömungsverhältnissen angeordnet werden.
3. Rohrkollektor nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass
dieser aus Edelstahl besteht.
4. Rohrkollektor nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass
dieser mit einem Fluid oder einem Gas betrieben wird.